稻田常用節水灌溉方式對水稻產量和米質影響的研究進展

張宏路 朱安 胡昕 姚磊 方燁琦 夏仕明 劉立軍

（揚州大學/江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/農業部長江中下游作物生理生態與栽培重點開放實驗室，江蘇揚州225009；* 通訊作者∶ljliu＠yzu．edu．cn）

水稻是沼澤類作物，水分管理方式對其產量和品質會產生重要影響。我國是水稻主要生產國，種植面積約占全球的23%，稻谷產量占全球的30%以上[1]。目前，我國稻作生產常用水分管理方式多為淹水灌溉，其用水量約占農業用水量的60%，耗水量巨大，水資源浪費嚴重。另一方面，我國人口占世界人口總量的22%，而可利用的淡水資源僅占世界總量的8%，人均占有量僅為2 500 m3，約為世界人均可利用水量的四分之一，是13個貧水國家之一[2]。因此，發展水稻節水栽培，實現稻作可持續發展對我國糧食安全供應和社會穩定具有十分重要的意義。近年來，水稻節水灌溉技術發展較快，出現了濕潤灌溉、干濕交替灌溉以及旱種旱管等節水灌溉方式。水分管理方式發生改變必然會引起稻田土壤性狀的變化，進而直接或間接導致地下部根系生長發育產生變化，從而影響地上部生長發育、產量和稻米品質形成。本文圍繞當前常用的幾種稻田節水灌溉方式，以常規淹水灌溉作為對比，探討前人在不同節水灌溉方式上對水稻產量以及米質影響的研究結果，旨在為發展稻田節水灌溉提供參考。

1 稻田常用節水灌溉方式及其對水稻產量的影響

1.1 濕潤灌溉及其對水稻產量的影響

濕潤灌溉是一項節水效果顯著、簡單易懂、可操作性強的稻田灌溉方式。其技術要點是在分蘗期持續建立水層，其他時期則以土壤濕潤為標準，滿足水稻的生理需水即可。該技術可大幅度減少灌溉用水量，減少能耗，降低灌溉成本，還可增加產量[3]。有資料顯示，此技術用水量較常規淹灌節水22%～36%[4]。韋盛敏等[5-6]通過研究發現，濕潤灌溉可適當降低土壤含水量，調節土壤水勢和蒸騰速率，提高自然降水的利用率，節水效果顯著。可見，濕潤灌溉技術在稻田節水方面的貢獻較為顯著，有較好的應用前景。

王瑞等[7]以多個粳稻品種為材料研究發現，濕潤灌溉可加快水稻返青分蘗，分蘗成穗數提高2.1%～11.6%，產量增加 9.1%～18.7%。朱士江等[8]發現，濕潤灌溉較常規淹灌和間歇灌溉增產。但李軻等[9]研究認為，濕潤灌溉條件下水稻產量要低于常規淹灌處理。此外，耿艷秋等[10]的研究結果顯示，在蘇打鹽堿地濕潤灌溉可提高水稻結實率和千粒重，從而達到增產的目的。從上述研究可見，針對濕潤灌溉對水稻產量的影響研究較少，并且結論不一，具體原因還有待進一步探討。

1.2 干濕交替灌溉及其對水稻產量的影響

干濕交替灌溉是一項水稻高產節水灌溉技術，其技術要點有∶從秧苗移栽至返青建立2～3 cm淺水層；返青至有效分蘗臨界葉齡期進行間隙濕潤灌溉；拔節期適當排水擱田，此后田間灌水層2～3 cm，然后自然落干，再灌水，再落干，如此循環；抽穗后45 d田間斷水，土壤落干直至收獲[11]。有研究顯示，干濕交替灌溉灌水量約700 mm左右，較常規淹水灌溉降低16%～18%，水分利用效率提高25%～29%[12-13]。針對該技術的應用情況，Mushtap等[14]在湖北漳河灌區的調查研究表明，采用干濕交替灌溉技術并非農戶本意，而是缺水條件下的無奈之舉，并且好的耕地質量有利于該技術的采用，但耕地規模越大，應用此技術產生的負效應越明顯。Kurschner等[15]在孟加拉國對干濕交替灌溉技術推廣的評估報告中指出，盡管很多農戶節水意向明確，對此技術有需求，但實際采用比例卻很低。造成這種現象的原因，主要是由于干濕交替灌溉技術管理過程復雜，技術難度相對較高。

Gareth等[16]的研究結果表明，干濕交替灌溉可提高水稻有效分蘗數，從而導致產量增加。然而，不同程度的干濕交替對水稻產量的影響也存在差異。劉立軍等[17]的研究結果表明，結實期輕干濕交替灌溉較常規灌溉顯著提高了水稻結實率和產量，而在重干濕交替灌溉條件下水稻結實率和產量卻表現出明顯的降低趨勢。徐芬芬等[18]在探討干濕交替灌溉的節水增產機理中發現，與田間土壤落干強度較高相比，土壤適度落干后復水對水稻產量的提高具有較好的效用。褚光等[12]的研究認為，適宜的干濕交替灌溉可以顯著提高水稻產量以及水分利用效率。上述這些結果表明，輕度且適宜的干濕交替灌溉可提高水稻產量，而在重度干濕交替灌溉條件下，則會對產量表現出明顯的負效應。因此，在實際生產應用時，應掌握好適宜的干濕交替程度，避免因土壤過分落干而導致減產。

1.3 旱種旱管及其對水稻產量的影響

水稻旱種旱管通常是指苗期在干旱條件下生長，生育中期及后期以雨水為主，遇旱時輔以人工灌溉，使水稻在土壤較為濕潤狀態下正常生長直至開花結實，是一項節約農業用水，提高灌溉效益，增強水稻抗性，管理方式簡單輕便的水稻栽培技術[19]。水稻旱種方式多種多樣，主要有裸地旱種、覆膜旱種以及覆草旱種等[20]。而在實際應用時，其所表現出的弊端也較為明顯。已有研究表明，水稻旱種通常存在3個問題∶一是低溫生育期延長，抽穗期推遲，影響成熟，加之旱作不形成水面，易受晚霜危害，既不能提前播種，又不能采用中晚熟高產品種；二是易受干旱的影響，生產不穩定，并且常受稻瘟病的威脅；三是雜草危害嚴重，產量不高[21]。并且，楊建昌等[22-23]研究發現，水稻旱種后，由于物質轉運率較高，致使水稻莖鞘物質被過多利用，易發生倒伏。針對旱種在實際應用中存在的不同隱患，人們不斷探索并研究出各種旱種方式以求改進，其中以覆蓋旱種技術最為廣大研究人員所接受。

關于覆蓋旱種水稻產量效應的研究存在較大差異，有的報道增產[22，24-26]，有的報道減產[27-29]。劉芳等[20]的研究結果顯示，該方式可使水稻分蘗提前，增加分蘗數，但水稻產量要略低于或顯著低于常規灌溉田。與上述結果不同，王先華等[30]通過研究指出，覆蓋旱種能使水稻成穗率提高，減少水稻空殼現象發生，并且在水資源短缺的地區，此技術是提高水稻產量和保持生態環境的首選。此外，不同覆蓋方式對水稻產量的影響也不相同。邱愈紅等[31]以水稻農學性狀和產量變化為基礎，探索不同覆蓋方式的優缺點，發現覆草旱種的方式最優，不僅大大減少水稻生產中的耗水量，還能在創造經濟效益的同時亦可為保護生態環境做出貢獻。由此看出，旱種水稻的主要優勢在于其可大幅減少稻田耗水量，栽培管理方式輕簡，但其對水稻產量和性狀的影響方面優缺并存。而隨著人們在旱種技術上的探索與改進，適宜的覆蓋旱種方式也可作為一種優良可行的水稻栽培技術。

2 稻田常用節水灌溉方式對稻米品質的影響

2.1 濕潤灌溉對稻米品質的影響

有研究表明，常規淹水灌溉和濕潤灌溉稻米加工品質和外觀品質無明顯差異[32]。但呂銀斐等[33]認為，濕潤灌溉在一定程度上降低了稻米的外觀品質，增大了稻米的堊白粒率和堊白度。占新春等[34]研究表明，與常規灌溉相比，濕潤灌溉使稻米的直鏈淀粉含量增加，膠稠度提高，總體上改善了稻米的蒸煮食味品質。劉奇華等[35]研究發現，濕潤灌溉下稻米蛋白質含量要顯著低于常規灌溉，而米粉RVA譜的最高黏度和熱漿黏度值則以濕潤灌溉最高。李艷紅等[36]的結果也表明，濕潤灌溉條件下蛋白質含量要顯著低于常規水層灌溉。但鄧定武等[32]認為，濕潤灌溉條件下稻米蛋白質含量及蒸煮品質較常規灌溉雖略有下降，但差異不顯著。綜上可以看出，濕潤灌溉對稻米品質的影響研究較少，且不同研究者結果并不相同，甚至相互矛盾。因此，濕潤灌溉對稻米品質的影響及其內在機制仍需進一步深入研究。

2.2 干濕交替灌溉對稻米品質的影響

有研究表明，干濕交替灌溉可以改善稻米品質[13，37-38]。但不同強度的干濕交替也會對稻米加工品質帶來不同程度的影響。劉立軍等[39]研究表明，輕度干濕交替處理能夠改善稻米加工品質，而重度干濕交替處理則會降低稻米的加工品質。同樣，楊建昌等[40]在盆栽條件下的研究結果也顯示，重度干濕交替處理下稻米的出糙率、精米率和整精米率要顯著低于輕度干濕交替處理。柯傳勇等[41]的結果也表明，適度的干濕交替灌溉在一定程度上可以提高稻米的精米率和整精米率。

在外觀品質方面，有研究指出，與常規淹水灌溉相比，干濕交替灌溉降低了稻米的堊白粒率、堊白大小以及堊白度[13]，這與呂銀斐等[33，41]的研究結果一致。蔡一霞等[42]認為，水分脅迫對稻米堊白粒率與堊白度的影響趨勢相近，受灌漿特性的影響，堊白粒率、堊白度都顯著提高，這與王成瑗等[43]的研究結果大致相同。

在蒸煮食味及營養品質方面，干濕交替灌溉較常規灌溉提高了稻米淀粉黏滯譜的最高黏度和崩解值[13]。此外，稻米蒸煮及營養品質也因不同程度的干濕交替處理而產生變化。唐成等[44]認為，與常規水層灌溉相比，輕干濕交替灌溉會降低稻米直鏈淀粉含量，膠稠度略高但差異不顯著，重干濕交替灌溉下直鏈淀粉含量增加，而膠稠度顯著降低。而在水氮耦合管理模式下，顧俊榮等[45]認為，輕干濕交替技術與氮肥的耦合管理有效提高了水稻的蒸煮食味品質，穆永紅等[46]的研究也證明了這一點。針對稻米營養品質，有研究指出，干濕交替灌溉提高了稻米清蛋白和谷蛋白的含量，降低了醇溶蛋白含量[13]。但也有研究認為，結實期常規水層灌溉和干濕交替灌溉對稻米蛋白質含量的影響差異不顯著[39，44]。

而針對衛生品質，較多研究認為，干濕交替灌溉可降低水稻中砷的活化，從而減少水稻對砷的吸收及其在籽粒中的積累[47-50]，但是會增加鎘的吸收[16，51-53]。

綜上所述，適宜的干濕交替灌溉可以改善米質。但就蒸煮食味和營養品質而言，不同研究者觀點不同，結論尚未統一。在稻米衛生品質上，大多研究表明不可在有鎘污染的稻田中采用干濕交替灌溉。

2.3 旱種旱管對稻米品質的影響

徐國偉等[54]的研究指出，在旱種模式下，稻米糙米率、精米率和整精米率要高于水種模式，但差異不顯著。但武立權等[55]發現，與常規淹水灌溉相比，旱種秈稻的加工品質略有下降。而李克武等[56]研究認為，水稻的加工品質在覆膜旱種后會有所提高。

旱種旱管條件下，水稻不可避免會發生水分脅迫。有研究表明，干旱對粒形影響不大，但堊白粒率和堊白度顯著提高，降低了稻米的外觀品質[57]。與上述結果不同，蔣鵬等[58]在研究分蘗期干旱對稻米品質的影響中指出，分蘗期干旱處理的稻米堊白粒率和堊白度要顯著低于常規灌溉處理。

有研究表明，旱種秈稻的蒸煮品質要好于常規淹水灌溉[55]。覆草旱種與常規水種對稻米直鏈淀粉含量和膠稠度等的影響無明顯差異，而覆草旱種和常規水種下稻米的膠稠度要顯著高于覆膜旱種[54]。覆膜旱種條件下稻米直鏈淀粉含量與常規灌溉相比差異不顯著，但膠稠度變小，且糊化溫度因品種差異而有所不同，常規粳稻略低，雜交稻略高[56]。旱管期間，分蘗期干旱處理的稻米直鏈淀粉含量要顯著高于常規灌溉處理[58]。

有研究指出，稻米籽粒蛋白質含量在常規水種、覆膜和覆草旱種三者之間差異不顯著[54]。但也有研究結果表明，覆膜旱種可使稻米蛋白質含量增加[56]。張其芳等[59]認為，旱種能顯著提高水稻籽粒中植酸的含量，干旱脅迫對直立密穗型品種粒位間粗蛋白和蛋白組分的影響較大。

對于衛生品質，張麗娜[53]等針對鎘（Cd）污染的土壤進行不同水分管理方式對水稻不同器官鎘積累影響的研究發現，旱種條件下水稻糙米中鎘含量最高，比常規淹水灌溉增加166.3%，其認為水稻旱種要考慮土壤環境條件，在重金屬污染的土壤上進行水稻節水旱種風險較大。

總體而言，不同研究者就旱種對稻米品質影響的研究結論不一，但適宜的旱種方式可以改善稻米品質，并且在水稻重要生育時期輔以旱作也可達到改善米質的效果。因此，在生產中需根據不同水稻生育時期特性選擇適宜的旱種方式，并且要避免在有重金屬污染的稻田進行旱作。

3 小結與討論

水分管理方式對稻米品質的影響是一個較為復雜的過程，不同節水灌溉方式對水稻產量和品質的影響存在差異。針對節水灌溉對水稻產量和品質的研究應從生產實際出發，既要達到高產優質的目的，也應適應種植方式和環境的改變。并且目前大多研究僅注重稻米品質表觀層面，往往忽略整個水分管理期間（即成熟之前）與籽粒品質相關理化特性的動態變化過程。因此，未來對水分管理方式影響稻米品質應加強以下幾個方面的研究。

3.1 水分管理方式影響稻米品質的分子機理

目前關于不同灌溉方式對稻米品質的影響仍多停留于稻米品質的表觀層面，而對水分管理方式影響稻米品質的內在機理，尤其是水分管理影響稻米品質的內在分子機制缺乏深入研究。加強水分管理對稻米品質的影響及其生理與分子機理研究，對進一步深入理解稻米品質的形成機制與調控具有重要意義。

3.2 適應于水稻機械化輕簡化高產優質的節水灌溉技術

目前，我國水稻生產機械化、輕簡化（主要指機插秧、直播和拋秧等）發展迅速，這為我國水稻生產節約了大量人力物力成本。然而，機械化輕簡化水稻栽培灌溉方式仍多沿用原來的常規水層灌溉，缺乏與之相配套的節水灌溉方式。加強機械化輕簡化條件下水稻節水灌溉方式及其對稻米產量和品質影響的研究，對水稻高產優質、水資源高效利用和農業可持續發展具有重要意義。

3.3 節水灌溉對稻田土壤性狀的影響及其與產量和品質的關系

針對節水灌溉對水稻產量和品質的影響，已有大量研究且成果顯著，而在節水灌溉對稻田土壤性狀影響方面的研究相對較少，其與水稻產量和品質的關系研究則更少。因此，需加強不同節水灌溉方式對土壤性狀、水稻根系形態生理影響的研究，并探尋其與水稻產量和品質形成的關系，研究結果可為稻田土壤定向調控提供參考。

3.4 加強節水灌溉方式對稻田土壤衛生狀況及稻米衛生品質的研究

在水稻衛生品質方面，現有研究涉及較少，且多集中于鎘、砷等有害物質的探討。而在實際農業生產中，稻田農藥（如各種除草劑、殺蟲劑等）、污水灌溉及其他各種化學藥劑的使用較為普遍，這些都會對水稻衛生品質及稻田衛生狀況帶來不同程度的不利影響。因此，需注重農業生產中化學藥劑的使用對稻米品質影響的研究，并致力于探尋能夠有效改善水稻衛生品質和稻田衛生狀況的節水灌溉方式。